LV10-05-内核定时器-01-基础知识

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本文主要是内核定时器基础知识的相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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u-boot 2013.01
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一、内核时间管理

1. 节拍率是什么？

Linux 内核中有大量的函数需要时间管理，比如周期性的调度程序、延时程序、对于我们驱动编写者来说最常用的定时器。硬件定时器提供时钟源，时钟源的频率可以设置， 设置好以后就周期性的产生定时中断，系统使用定时中断来计时。中断周期性产生的频率就是系统频率，也叫做节拍率(tick rate)(有的地方也叫系统频率)，比如 1000Hz， 100Hz 等等说的就是系统节拍率。系统节拍率是可以设置的，单位是 Hz，我们在编译 Linux 内核的时候可以通过图形化界面设置系统节拍率，按照如下路径打开配置界面： 

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Kernel Features  --->
	Timer frequency (100 Hz)  --->
找不到怎么办？

反正我用的linux内核刚开始是找不到这个选项的，后来经过一番查探，发现，这种选项依赖于某些变量，我们直接在图形界面搜索 CONFIG_HZ 这个关键词（按下 / ，然后输入名字即可搜索），会看到有么一个结果：

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# 这个是表示 HZ的默认值是200
│ Symbol: HZ [=200]                                                       │  
│ Type  : integer                                                         │  
│   Defined at arch/arm/Kconfig:1678                                      |


# 后边还有几个与下边这类似的
│ Symbol: HZ_100 [=n]                                                     │  
│ Type  : boolean                                                         │  
│ Prompt: 100 Hz                                                          │  
│   Location:                                                             │  
│ (2) -> Kernel Features                                                  │  
│       -> Timer frequency (<choice> [=n])                                │  
│   Defined at arch/arm/Kconfig:1658                                      │  
│   Depends on: <choice>                                                  │

发现明明是有这个选项的，但是就是看不到，我们直接来到这个文件，打开：

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vim arch/arm/Kconfig +1658

发现配置文件中有这么几行（前边是在文件中的行号）：

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1644 source kernel/Kconfig.preempt
1645 
1646 config HZ_FIXED
1647         int
1648         default 200 if ARCH_EBSA110 || ARCH_S3C24XX || ARCH_S5P64X0 || \
1649                 ARCH_S5PV210 || ARCH_EXYNOS4
1650         default AT91_TIMER_HZ if ARCH_AT91
1651         default SHMOBILE_TIMER_HZ if ARCH_SHMOBILE_LEGACY
1652         default 0
1653 
1654 choice
1655         depends on HZ_FIXED = 0
1656         prompt "Timer frequency"
1657 
1658 config HZ_100
1659         bool "100 Hz"

从这里得知，要保证 HZ_FIXED = 0，才会有这些选项，所以后边知道怎么办啦，直接把 config HZ_FIXED下边的 default删掉，只留一个0，然后重新打开图形配置界面，就会发现，这个选项出来了。

【注意事项】这里仅限于查看，看完记得改回来，我并不能保证改了之后会对内核编译的时候造成什么影响。

在Linux 内核会使用 CONFIG_HZ 来设置自己的系统时钟。我们打开 Linux 内核源码的这个文件：

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include/asm-generic/param.h

会看到有如下宏定义：

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# undef HZ
# define HZ		CONFIG_HZ	/* Internal kernel timer frequency */
# define USER_HZ	100		/* some user interfaces are */
# define CLOCKS_PER_SEC	(USER_HZ)       /* in "ticks" like times() */

宏 HZ 就是 CONFIG_HZ，我们后面编写 Linux驱动的时候会常常用到 HZ，因为 HZ 表示一秒的节拍数，也就是频率。

2. 节拍率的高低影响

高节拍率会提高系统时间精度，如果采用 100Hz 的节拍率，时间精度就是 10ms，采用1000Hz 的话时间精度就是 1ms，精度提高了10 倍。高精度时钟的好处有很多，对于那些对时间要求严格的函数来说，能够以更高的精度运行，时间测量也更加准确。

高节拍率会导致中断的产生更加频繁，频繁的中断会加剧系统的负担， 1000Hz 和 100Hz的系统节拍率相比，系统要花费 10 倍的“精力”去处理中断。中断服务函数占用处理器的时间增加，但是现在的处理器性能都很强大，所以采用 1000Hz 的系统节拍率并不会增加太大的负载压力。根据自己的实际情况，选择合适的系统节拍率。

3. jiffies

Linux 内核使用全局变量 jiffies 来记录系统从启动以来的系统节拍数，系统启动的时候会将 jiffies 初始化为 0，这个变量定义在 linux内核源码的这个文件中：

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include/linux/jiffies.h

我们打开这个文件，可以看到如下定义：

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/*
 * The 64-bit value is not atomic - you MUST NOT read it
 * without sampling the sequence number in jiffies_lock.
 * get_jiffies_64() will do this for you as appropriate.
 */
extern u64 __jiffy_data jiffies_64;
extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;

jiffies_64 和 jiffies 其实是同一个东西， jiffies_64 用于 64 位系统，而 jiffies 用于 32 位系统。为了兼容不同的硬件， jiffies 其实就是 jiffies_64 的低 32 位， jiffies_64 和 jiffies 的结构如下图：

image-20220918154908163

当我们访问 jiffies 的时候其实访问的是 jiffies_64 的低 32 位，使用 get_jiffies_64 这个函数可以获取 jiffies_64 的值。在 32 位的系统上读取 jiffies 的值，在 64 位的系统上 jiffes 和 jiffies_64 表示同一个变量，因此也可以直接读取 jiffies 的值。所以不管是 32 位的系统还是 64 位系统，都可以使用 jiffies。

前面说 HZ 表示每秒的节拍数， jiffies 表示系统运行的 jiffies 节拍数，所以 jiffies / HZ 就是系统运行时间，单位为秒。不管是 32 位还是 64 位的 jiffies，都有溢出的风险，溢出以后会重新从 0 开始计数，相当于绕回来了，因此有的地方也将这个现象也叫做绕回。假如 HZ 为最大值 1000 的时候， 32 位的 jiffies 只需要 49.7 天就发生了绕回，对于 64 位的 jiffies 来说大概需要 5.8 亿年才能绕回，因此 jiffies_64 的绕回忽略不计，所以处理 32 位 jiffies 的绕回显得尤为重要。

Linux 内核提供了几个 API 函数来处理绕回，这些函数定义在linux内核源码的这个文件中：

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include/linux/jiffies.h

我们打开文件，会看到有如下相关函数：

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/*
 *      These inlines deal with timer wrapping correctly. You are 
 *      strongly encouraged to use them
 *      1. Because people otherwise forget
 *      2. Because if the timer wrap changes in future you won't have to
 *         alter your driver code.
 *
 * time_after(a,b) returns true if the time a is after time b.
 *
 * Do this with "<0" and ">=0" to only test the sign of the result. A
 * good compiler would generate better code (and a really good compiler
 * wouldn't care). Gcc is currently neither.
 */
#define time_after(a,b)         \
        (typecheck(unsigned long, a) && \
         typecheck(unsigned long, b) && \
         ((long)((b) - (a)) < 0))
#define time_before(a,b)        time_after(b,a)

#define time_after_eq(a,b)      \
        (typecheck(unsigned long, a) && \
         typecheck(unsigned long, b) && \
         ((long)((a) - (b)) >= 0))
#define time_before_eq(a,b)     time_after_eq(b,a)

如果 a 超过 b 的话， time_after 函数返回真，否则返回假。如果 a 没有超过 b 的话 time_before 函数返回真，否则返回假。time_after_eq 函数和 time_after 函数类似，只是多了判断等于这个条件。同理， time_before_eq 函数和 time_before 函数也类似。

4. 代码执行超时判断

上边了解了jiffies，我们可以用它来判断某段程序有没有执行超时：

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unsigned long timeout;
timeout = jiffies + (2 * HZ); /* 超时的时间点,这里是2s */

/*************************************
 *           具体的代码
 *************************************/

/* 判断有没有超时 */
if(time_before(jiffies, timeout))
{
	/* 超时未发生 */
}
else
{
	/* 超时发生 */
}

二、延时机制

在linux中，根据延时时间长短可以有短延时和长延时，按照延时方式，可以分为阻塞延时和非阻塞延时（忙等待）。

1. 忙等待的短延迟

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1. void ndelay(unsigned long nsecs)
2. void udelay(unsigned long usecs)
3. void mdelay(unsigned long msecs)

实际上是在函数内不进行循环，不会睡眠。

2. 忙等待的长延时

使用 jiffies 相关比较宏来实现，它也是在函数里边进行循环，不会睡眠：

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time_after(a,b)    // a > b
time_before(a,b)   // a < b

// 延迟100个 jiffies
unsigned long delay = jiffies + 100;
while(time_before(jiffies,delay))
{
    ;
}

// 延迟 2s
unsigned long delay = jiffies + 2*HZ;
while(time_before(jiffies,delay))
{
    ;
}

3. 睡眠延时

这个属于阻塞类延时，开始延时后，进程阻塞，让出CPU。

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void msleep(unsigned int msecs);

unsigned long msleep_interruptible(unsigned int msecs);

4. 延时机制的选择

4.1 执行流

执行流：有开始有结束总体顺序执行的一段独立代码，又被称为代码上下文 。计算机系统中的执行流的分类：

  • 任务流——任务上下文（都参与CPU时间片轮转，都有任务的五种状态：就绪态 运行态 睡眠态 僵死态 暂停态）

（1）进程

（2）线程

内核线程：内核创建的线程。

应用线程：应用进程创建的线程。

  • 异常流——异常上下文

（1）中断

（2）其他异常

应用编程可能涉及到的执行流：

（1）进程

（2）线程

内核编程可能涉及到的执行流：

（1）应用程序自身代码运行在用户空间，处于用户态—— 用户态 app

（2）应用程序正在调用系统调用函数，运行在内核空间，处于内核态，即代码是内核代码但处于应用执行流（即属于一个应用进程或应用线程）——内核态 app

（3）一直运行于内核空间，处于内核态，属于内核内的任务上下文—— 内核线程

（4）一直运行于内核空间，处于内核态，专门用来处理各种异常—— 异常上下文

4.2 延时的选择

延时机制的选择原则：

  • 任务上下文短延迟采用忙等待类，长延迟采用阻塞类

  • 异常上下文中只能采用忙等待类

三、内核定时器

1. 内核定时器简介

定时器是一个很常用的功能，需要周期性处理的工作都要用到定时器， Linux 内核采用系统时钟来实现了一个定时器。 Linux 内核定时器使用很简单，只需要提供超时时间（相当于定时值）和定时处理函数即可，当超时时间到了以后设置的定时处理函数就会执行，和我们使用硬件定时器的套路一样，只是使用内核定时器不需要做一大堆的寄存器初始化工作。

在使用内核定时器的时候要注意一点，内核定时器并不是周期性运行的，超时以后就会自动关闭，因此如果想要实现周期性定时，那么就需要在定时处理函数中重新开启定时器。

2. 一个结构体

Linux 内核使用 timer_list 结构体表示内核定时器 ，这个结构体定义在linux内核源码的这个文件中：

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include/linux/timer.h

我们打开这个文件，会看到结构体定义如下：

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struct timer_list {
        /*
         * All fields that change during normal runtime grouped to the
         * same cacheline
         */
        struct list_head entry;
        unsigned long expires;
        struct tvec_base *base;

        void (*function)(unsigned long);
        unsigned long data;

        int slack;

#ifdef CONFIG_TIMER_STATS
        int start_pid;
        void *start_site;
        char start_comm[16];
#endif
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
        struct lockdep_map lockdep_map;
#endif
};

【成员介绍】

  • expires：unsigned long 类型，定时器的超时时间，单位是节拍数，也就是 jiffies + x * HZ，其中 x 就表示我们要定时的秒数。
  • function：函数指针，时间到达后，执行的回调函数，这是一个软中断异常上下文。
  • data：unsigned long 类型，表示要传递给回调函数的参数。

3. 相关函数

3.1 init_timer()

我们使用以下命令查询一下函数所在头文件：

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grep init_timer -r -n ~/5linux/linux-3.14/include

经过查找，我们可以得到如下信息：

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/* 需包含的头文件 */
#include <linux/timer.h>

/* 函数声明 */
#define init_timer(timer)                                               \
        __init_timer((timer), 0)
// __init_timer的定义
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
#define __init_timer(_timer, _flags)                                    \
        do {                                                            \
                static struct lock_class_key __key;                     \
                init_timer_key((_timer), (_flags), #_timer, &__key);    \
        } while (0)
// ...
#else
#define __init_timer(_timer, _flags)                                    \
        init_timer_key((_timer), (_flags), NULL, NULL)
// ...
#endif
// init_timer_key的定义
void init_timer_key(struct timer_list *timer, unsigned int flags,
                    const char *name, struct lock_class_key *key);

【函数说明】该函数其实是一个宏，用于初始化一个定时器，实际上就是初始化定义好了的 timer_list 变量 。

【函数参数】

  • timer：struct timer_list *类型，表示要初始化的定时器。

【返回值】none

【使用格式】none

【注意事项】none

3.2 add_timer()

我们使用以下命令查询一下函数所在头文件：

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grep add_timer -r -n ~/5linux/linux-3.14/include

经过查找，我们可以得到如下信息：

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/* 需包含的头文件 */
#include <linux/timer.h>

/* 函数声明 */
extern void add_timer(struct timer_list *timer);

【函数说明】该函数用于向内核注册一个定时器。

【函数参数】

  • timer：struct timer_list *类型，表示要注册的定时器。

【返回值】none

【使用格式】none

【注意事项】none

3.3 del_timer()

我们使用以下命令查询一下函数所在头文件：

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grep del_timer -r -n ~/5linux/linux-3.14/include

经过查找，我们可以得到如下信息：

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/* 需包含的头文件 */
#include <linux/timer.h>

/* 函数声明 */
extern int del_timer(struct timer_list * timer);

【函数说明】该函数用于删除一个定时器，不管定时器有没有被激活，都可以使用此函数删除。

【函数参数】

  • timer：struct timer_list *类型，表示要删除的定时器。

【返回值】int 类型，返回0表示定时器还没被激活，返回 1表示定时器已经激活。

【使用格式】none

【注意事项】在多处理器系统上，定时器可能会在其他的处理器上运行，因此在调用 del_timer 函数删除定时器之前要先等待其他处理器的定时处理器函数退出。

3.4 mod_timer()

我们使用以下命令查询一下函数所在头文件：

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grep mod_timer -r -n ~/5linux/linux-3.14/include

经过查找，我们可以得到如下信息：

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/* 需包含的头文件 */
#include <linux/timer.h>

/* 函数声明 */
extern int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires);

【函数说明】该函数用于修改定时器的值，如果定时器还没有激活的话， mod_timer 函数会激活定时器 。

【函数参数】

  • timer：struct timer_list * 类型，表示要修改的定时器。
  • expires：unsigned long 类型，修改后的超时时间，单位为节拍数，格式为 jiffies + x * HZ。

【返回值】int 类型，返回0表示调用 mod_timer 函数前定时器未被激活，返回1表示调用 mod_timer 函数前定时器已被激活。

【使用格式】none

【注意事项】none

3.5 del_timer_sync()

我们使用以下命令查询一下函数所在头文件：

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grep del_timer_sync -r -n ~/5linux/linux-3.14/include

经过查找，我们可以得到如下信息：

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/* 需包含的头文件 */
#include <linux/timer.h>

/* 函数声明 */
extern int del_timer_sync(struct timer_list *timer);

【函数说明】该函数用于删除一个定时器，会等待其他处理器使用完定时器再删除。

【函数参数】

  • timer：struct timer_list * 类型，表示要删除的定时器。

【返回值】int 类型，返回 0 表示定时器未被激活，返回 1 表示定时器已被激活。

【使用格式】none

【注意事项】del_timer_sync 不能使用在中断上下文中。